CC BY
62
УДК 629.78.05
БЕССПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА НАВИГАЦИИ ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
А. А. Симдянкин, доктор техн. наук, профессор; А. Х. Мусли, аспирант
ФГБОУ ВО Рязанский ГАТУ им. П. А. Костычева», Россия, т. 8-9250655598, e-mail: [email protected]
Рассматривается бесспутниковая система навигации, реализуемая на основе RFID-технологии, для идентификации участков поля и выбора оптимального маршрута для сельскохозяйственной техники. Представлены основные принципы и алгоритмы данной системы, демонстрируются преимущества предлагаемой технологии.
Ключевые слова: система навигации, агропромышленный комплекс, smart-технологии, RFID.
Введение. Британский Департамент окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства (DEFRA) определяет CSF (climate smart farming) как сельское хозяйство, которое обеспечивает население разнообразной едой по умеренной цене, приготовленной в соответствии с общепринятыми экологическими и социальными стандартами [1]. Это относительно новый термин, выходящий за рамки точного земледелия. Считается, что данное направление ведения сельскохозяйственного производства более эффективное, чем «точное земледелие» (sustainable agriculture). CSF более тесно связано с совершенствованием и эффективным использованием элементов точного земледелия, таких как системы позиционирования, датчики для получения информации о состоянии почвы, растений, окружающей среды с целью использования этой информации при обосновании и принятии оптимальных управ-
ленческих решений. В данной системе предполагается эффективный учет «внутриполь-ной вариабельности» параметров плодородия при принятии оптимальных решений за счет более широкого использования систем глобального позиционирования ГЛОНАСС/GPS, управления данными, широкого использования сенсоров, информационных систем, а также более прогрессивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур.
Методика проведения исследований. Предлагаемые сегодня для реализации smart-технологии в области мониторинга и управления производством сельскохозяйственной продукции являются наиболее приспособленными к современным требованиям ведения высокоэффективного хозяйствования, представляя совокупность аппаратно-программных средств, взаимодействующих посредством элементов связи [2].
Рис. 1. Архитектура типовой smart-технологии мониторинга и управления производством сельскохозяйственной продукции
Нива Поволжья № 2 (43) май 2017 91
В подобных системах присутствует скоординированная архитектура, в которую входят элементы, представленные на рис. 1.
Система предназначена для решения таких задач, как построение и корректировка точных карт сельскохозяйственных полей с помощью GPS-технологий, а также определения фактических границ и площадей обработанной части поля по данным GPS-приемника [3].
Технология точного земледелия реализована следующим образом: установленные на тракторе GPS-приемник и сенсоры для сбора информации с сельскохозяйственных полей передают информацию бортовому компьютеру, рассчитывающему и реализовывающему алгоритм управления [4]. Визуализация результатов работы системы реализуется с помощью мониторов урожая, которые представляют собой многофункциональные бортовые контроллеры для сельскохозяйственных машин, позволяющие в реальном времени собирать и отображать информацию об объеме и влажности собранного зерна, обработанной площади, синхронизируя все эти данные с информацией от GPS-приемника [5].
Система дистанционного контроля положения и функционирования сельхозтехники, которая отвечает за текущее месторасположение и фиксирование данного положения на карте, получаемое на диспетчерский GSM-терминал, располагается на удаленных GPS/GSM-терминалах, кото-
рые устанавливают непосредственно на технике, участвующей в обработке и поддержании плодородия полей [6].
Архитектура российской системы навигации ГЛОНАСС довольно похожа на GPS (рис. 2):
1. Группировка спутников отвечает за отслеживание и передачу текущих месторасположений конечных устройств, взаимодействующих своими приемо-передаю-щими устройствами со спутниками.
2. Наземный комплекс управления, производящий сбор, обработку, хранение и выдачу данных через интерфейс навигационному устройству (навигатор / смартфон / планшет).
3. Датчики, обеспечивающие отслеживание местоположения при помощи передачи сигнала спутниковой системе.
4. Канал связи, обеспечивающий передачу данных между элементами системы.
5. Бортовое устройство (навигатор / планшет / смартфон), взаимодействующее с датчиком позиционирования, и обрабатывающее сигналы, полученные от спутника, с последующей выдачей их в удобной форме водителю о текущем месторасположении транспортного средства. Навигаторы имеют интегрированную карту окружающей местности, которая при помощи координат спутника накладывается на текущее месторасположение транспортного средства, что позволяет водителю определить точное местонахождение [7].
Рис. 2. Архитектура спутниковой системы ГЛОНАСС
Рис. 3. Архитектура бесспутниковой системы позиционирования
Недостатками систем глобального позиционирования являются сложноуровне-вая структура, определяющая высокую стоимость оборудования, необходимость использования высококвалифицированного обслуживающего персонала системы, а также высокое энергопотребление [8].
Результаты исследований. Рассматриваемую smart-систему можно существенно упростить и снизить ее стоимость за счет использования наземной системы позиционирования, включающей мобильный радар, установленный на сельскохозяйственном транспорте, и RFID-меток, установленных по границам обрабатываемого поля, а также на путях между соседними обрабатываемыми участками поля.
Нами предлагается бесспутниковая система позиционирования, выполненная на основе RFID-технологии, которая имеет простую архитектуру, тем не менее, полностью обеспечивая необходимой информацией оператора транспортного средства при выполнении сельхозработ (рис. 3). RFID-тех-нология позволяет идентифицировать объект на расстоянии до 300 метров, поэтому ее можно использовать для позиционирования транспорта в рамках проведения сельхозработ, а также рационального перемещения между сельхозугодьями [9].
Архитектура включает следующие элементы.
1. RFID-метки (радиочастотные идентификаторы), установленные по периметру поля и являющиеся элементами системы, которые обеспечивают хранение и передачу данных при их опросе высокочастотным сигналом, формируемым радаром-считывателем. Метки являются элементом, обеспечивающим маршрутизацию, при этом каждая из них имеет уникальную кодировку [10].
2. Радар-считыватель, установленный на транспортном средстве, - устройство, используемое системой для обнаружения RFID-меток.
3. Беспроводной канал связи - тип связи устройств и передачи данных по радио-
волнам, обеспечивающий обмен данными между устройствами бесспутниковой системы позиционирования.
4. Бортовой компьютер - это устройство, обеспечивающее сбор, обработку и хранение данных. Этапы работы бортового компьютера: получение кодированной информации, соответствующей расположению метки на поле, с радара, который считывает ее путем опроса метки высокочастотным сигналом; передача данных в распоряжение процессора, который синхронизирует текущее месторасположение метки с базой данных (хранилищем) бортового компьютера; вывод текущего местоположения транспортного средства на поле в удобном для оператора виде; предложение оптимального маршрута передвижения по полю [11]. Интерфейс системы позиционирования представляет собой интерактивную карту маршрутизации на местности. Карта может быть интегрирована в компьютер 2 способами:
• offline - этот способ предполагает загрузку сформированной карты, предоставленной в общем доступе, либо заблаговременное формирование карты на основе данных, полученных из кадастровой палаты региона. Способ уместен при отсутствии возможности построения маршрутов в режиме реального времени;
• online - данный способ реализует построение карты в режиме реального времени, то есть при считывании радаром информации с метки производится фиксация меток и формирование карты текущих позиций меток в накопителе компьютера (HDD-жесткий диск/SSD-накопитель) с последующим выводом через интерфейс их месторасположения и формиранием для водителя-оператора навигационной карты. Способ удобен тем, что исключает необходимость наличия у компьютера большого объема памяти.
5. Водитель-оператор - это субъект системы позиционирования, пользователь бортового компьютера, который управляет транспортным средством, взаимодействуя
Нива Поволжья № 2 (43) май 2017 93
с системой позиционирования при помощи интерактивного интерфейса.
Предлагаемая бесспутниковая система позиционирования на основе RFID-техно-логии имеет следующие преимущества: дешевизна входящих в нее элементов; мобильность системы; низкое энергопотребление; низкая стоимость обслуживания; простота установки и эксплуатации [12].
Для проведения процедуры маршрутизации транспортного объекта, в первую очередь, необходимо описать элементы системы позиционирования при помощи RFID-меток. Каждое поле по удаленности и первичности по обработке имеет порядковый номер, например, поле 1, которое в первую очередь подлежит обработке, имеет идентификатор 1Т=01, который в свою очередь будет присвоен идентификаторам меток по периметру (рис.4) [13]. Соответственно, для меток поля № 1 идентификаторы будут начинаться с цифры 01. Каждое поле будет обрабатываться полосами. Под полосой понимается то расстояние, что находится между отметками А и В. Соответственно, данные метки считаются границами ширины поля.
Каждая метка для маршрутизации на участке с полями имеет свой идентификатор, который состоит из идентификаторов следующих элементов:
1) идентификатор поля (принадлежность к полю) - ff;
2) идентификатор угла - сс;
3) идентификатор направления (по часовой стрелке - север-восток-юг-запад) - dd (Ю пг, еа, so, we, пе, es, sw, wn);
4) идентификатор порядка - № № (порядковый номер).
Первый идентификатор (идентификатор поля) - это номер поля, к которому метка относится. Идентификатором угла является указатель определенного угла данного поля. Стоит отметить, что главной и в то же время опорной меткой является та, что имеет значение в идентификаторе угла 01 и идентификаторе порядка также 01. Данное введение объясняется необходимостью системы определения текущего месторасположения транспортного средства на поле относительно периметральных и угловых меток при помощи идентификаторов RFID-меток [14]. Идентификатором направления служит значение dd, которое обозначает направление, исходя из текущего положения по отношению к опорной (главной) точке. Порядковый номер, начиная от главной метки, является идентификатором порядка метки по отношению к опорной точке. Таким образом, каждая метка может быть легко идентифицирована, так что оператору (водителю) транспорта довольно легко определить свое текущее положение, а также найти наиболее оптимальный маршрут для передвижения на участках с полями.
В итоге у главного идентификатора каждой метки имеется 4 идентификатора
элементов, каждая имеет свой параметр и его значение, при помощи которого происходит позиционирование.
Каждая метка имеет 128-битную разрядность, в часть из которых вносятся позиционные данные определенной метки. Так как каждый идентификатор элемента поля имеет двоичный разряд от 1 до 99, то обеспечивается возможность использования на каждом поле большого количества меток [15].
Для проведения демонстрации допустим, например, поле с 4-мя участками правильной формы для обработки. В дополнение к алгоритму для участков правильной формы будет рассматриваться и разрабатываться алгоритм для участков с неправильными формами.
Задача по демонстрации принципа работы системы бесспутникового позиционирования следующая: необходимо реализовать алгоритм действий при передвижении на поле с обрабатываемыми участками. Описание алгоритма маршрутизации на поле с участками на примере поиска и обработки поля № 1 (рис. 5).
1. Оператор транспортного средства (ТС) вводит данные о количестве полей, при этом по периметру каждого поля уже расставлены соответствующие метки (на рис. 4 обозначены пунктирными крестиками).
2. Радар-считыватель производит поиск ближайших доступных в радиусе 100-
300 метров меток и сверяется с данными, разыскивая среди них метки с идентификаторами поля № 1.
3. Не находя таковых, оператор ведет ТС вдоль периметра до тех пор, пока система не выведет сообщение о первых найденных метках поля № 1.
4. Выдав сообщение о найденных метках с идентификаторами принадлежности к полю № 1, система при помощи радара-считывателя производит поиск по угловым точкам, отслеживая параметры идентификаторов угла и порядка (сс и № №).
5. Найдя опорную (главную) метку угла 01, оператор ТС совершает въезд на данное поле, начиная обработку поля.
6. При помощи идентификаторов угла и порядка система определяет данные периметра, а именно границы поля. Таким образом, в случае приближения к противоположной границе поля система оповещает о данном событии через интерфейс, выводя сообщение на экран планшета или смартфона. Оператор ТС, визуально отслеживая полосы обработанной части поля, продолжает обрабатывать оставшуюся часть поля.
7. При достижении угловой метки с идентификатором угла сс=04, система оповещает о завершении обработки поля № 1, и водитель, окончив обработку поля № 1, приступает к передвижению к полю № 2, отслеживая оповещения системы о поиске меток данного поля.
| (¡ГПГП-ЛЯ 'лгткг Ки \ |
Рис. 5. Схема позиционирования меток на участке с полями
Нива Поволжья № 2 (43) май 2017 95
Рис. 6. Блок-схема алгоритма маршрутизации на участке с полями
Блок-схема использования алгоритма на примере маршрутизации на поле № 1 приведена на рис. 6, а часть реализации алгоритма блок-схемы описана ниже.
Реализация поиска оптимального маршрута может быть реализована при помощи логического языка программирования Prolog:
domains list = integer* megalist = list* predicates
%по идентификатору метки определяет её координаты
ff параметр - принадлежности метки к определенному полю, cc - координаты углу на поле, dd - коодинаты по направлению, № № - координаты порядкового номера nondeterm метка (integer, integer, integer). %факты с координатами меток %1 параметр - номер метки,2 -её координаты
nondeterm координаты (integer, integer). %прорисовка маршрута прохождения транспорта clauses
поле (1 ,[01-01 -dd-01 ,01-сс-пг-02,01-02-nr-03,01-cc-ne-04,01-03-ne-05,01-cc-ne-06, 01-04-ea—07,01-cc-ea-08]).
поле (2,[02-01-dd-01 ,02-сс-пг-02,02-02-nr-03,02-cc-ne-04,02-03-ne-05,02-cc-ne-06,02-04-ea—07,02-cc-ea-08]).
поле (1 ,[03-01 -dd-01 ,03-сс-пг-02,03-02-nr-03,03-cc-ne-04,03-03-ne-05,03-cc-ne-
06.03-04-ea—07,03-cc-ea-08]).
поле (4,[04-01-dd-01 ,04-сс-пг-02,04-02-nr-03,04-cc-ne-04,04-03-ne-05,04-cc-ne-
06.04-04-ea—07,04-cc-ea-08]). входит (ff,[ff|_]).
входит (ff,[_|Остаток]):-входит (ff, Остаток).
проход (ff, cc, dd, NN^-линия (0,1), принадлежит (ff, cc, dd, NN);
линия (0,1), принадлежит (ff, cc, dd, NN). повороты ([_], cc, cc). повороты ([ff, cc|0st],01, cc):-ff<>dd, c02=c01+1, повороты ([dd|Ost], c02, cc); ff=dd, повороты ([dd|Ost], c01, c02). найтипуть (c01, c02, Pov, RealPath):-findall (Path, маршрут (c01, c02, Path), AllPath),
обработать (AllPath, Pov, RealPath).
Построенная система маршрутизации, основанная на применении RFID-меток, вместе с вышеприведенным алгоритмом, позволит эффективно обрабатывать поля любых размеров и форм. Кроме того, отпадает необходимость в системе навигации, обеспечивающей связь со спутниками, а вся система приобретает упрощенную архитектуру, что сказывается на снижении эксплуатационных затрат.
Литература
1. Системы мониторинга транспорта на основе технологий спутникового позиционирования ГЛОНАСС и GPS // SpaceTeam, 2013. [Электронный ресурс] URL: http://www. knauf. spb. ru/obsluzhivanie-kombainov/gps-navigatsciya-v-kombainah. html
2. MIT: Бесспутниковая навигация БПЛА GPS навигация в комбайнах // Техника для сельского хозяйства, 2013 [Электронный ресурс]. URL: http://zoom.cnews.ru/rnd/news/top/mit_bessputniko-vaya_navigatsiya_bpla
3. Геоинформационная система // Википедия, 2016 [Электронный ресурс]. URL: https://ru. wikipedia.org/wiki/Геоинформационная_система
4. Инновации - спутниковые и геоинформационные технологии // ОАО «НИИАС», 2016 [Электронный ресурс]. URL: https://ru. wikipedia. org/wiki/Геоинформационная_система
5. Использование навигационных технологий ГЛОНАСС в сельском хозяйстве Амурской области // Минсельхоз Амурской области [Электронный ресурс]. URL: http://www. mcx. ru/news/news/show/10848.78. htm
6. Журкин, И. Г. Геоинформационные системы / И. Г. Журкин, С. В. Шайтура. - М.: Кудиц-пресс, 2009. - 272 с.
7. Спутниковое телевизионное вещание. Общие принципы построения // Арсенал-Телеком [Электронный ресурс]. URL: http://www.arstel.com/ru/articles/art1p1.php
8. Дятлов, А. П. Системы спутниковой связи с подвижными объектами: учебное пособие / А. П. Дятлов. - Таганрог: ТРТУ, 2004. - Ч. 1. - 95 с.
9. Компьютерная картография и зоны спутниковой связи / Ред. Лазарь Машбиц [и др.]. - М.: Горячая Линия - Телеком, 2009. - 260 с.
10. Разработка и изготовление приборов и оборудования для обследования и диагностики автомобильных, железных дорог и аэродромов по геометрическим параметрам // СИБДОРПРОЕКТ. АПК Профиль [Электронный ресурс]. URL: http://sibdorproekt.ru/razrabotka-i-izgotovlenie-priborov-i-oborudovaniya-dlya-obsledovaniya-i-diagnostiki-avtomobilnykh-zheleznykh-dorog-i-aerodromov-po-geometricheskim-parametram/apk-profil
11. Власов, Максим. RFID: 1 технология - 1000 решений: Практические примеры использования RFID в различных областях / М. Власов. - М.: Альпина Паблишер, 2014. - 218 с.
12. Сандип Лахири. RFID. Руководство по внедрению = The RFlD Sourcebook / С. Дудников. -М.: Кудиц-Пресс, 2007. - 312 с.
13. Маниш Бхуптани, Шахрам Морадпур. RFID-технологии на службе вашего бизнеса = RFID Field Guide: Deploying Radio Frequency Identification Systems / Н. Троицкий. - М.: Альпина Паблишер, 2007. - 290 с.
14. Т. Шарфельд (с Приложениями И. Девиля, Ж. Дамура, Н. Чаркани, С. Корнеева и А. Гуларии). Системы RFID низкой стоимости / С. Корнеев. - М., 2006.
15. Продажа RFID-меток // RFID-M. Поставщик конкурентных преимуществ [Электронный ресурс]. URL: http://rfid-m.ru
UDK 629.78.05
NON-SATELLITE NAVIGATION SYSTEM FOR AGRICULTURE
А. А. Simdiankin, Dr. Sc., professor; A. Kh. Mousli, postgraduate student
FSBEE HE Ryazan SAT University named after P. A. Kostychev, Russia, e-mail: seun2006@mail. ru, t. 8-9250655598
Non-satellite system of orientation for agricultural needs is suggested. System is based on RFID-label for both identification of field parts and searching of optimal route for farming machinery. The article presents main principles and algorithms of this system and demonstrates the advantages.
Key words: RFID, agriculture, not satellite, field, farm, transport, orientation.
References:
1. Monitoring vehicle system on the basis of GLONASS and GPS technologies of satellite positioning // SpaceTeam [electronic resource] - Electron. Dan. - [B. M.], 2013. - Access: http://www. knauf. spb. ru/obsluzhivanie-kombainov/gps-navigatsciya-v-kombainah. html
2. Equipment for agriculture [electronic resource] - Electron. Dan. - [BM], 2013. - Access: http://zoom. cnews. ru/rnd/news/top/mit_bessputnikovaya_navigatsiya_bpla.
- MIT: Bessputnikovaya UAV navigation GPS navigation processor.
3. Wikipedia [electronic resource] - Electron. Dan. - [B. m], 2016. - Access: https://ru. wikipedia. org/wiki/Geo-information system - Geographic Information System.
4. OAO «NIIAS» [Electronic resource] - Electron. Dan. - [B. M.], 2016. - Access: https://ru. wikipe-dia. org/wiki/ Geo-information system - Innovation - satellite and GIS technology.
Нива Поволжья № 2 (43) май 2017 97
5. The Ministry of Agriculture of the Amur region [electronic resource] - Electron. Dan. - [B. m], 2013. - Access: http://www. mcx. ru/news/news/show/10848.78. htm. - The use of GLONASS technologies in the agriculture of the Amur region.
6. Zhurkin I.G, Shaytura SV Geographic Information Systems. - Moscow: Kudits Press, 2009. - 272 p.
7. Satellite television broadcasting. General principles of construction //Arsenal-Telecom [electronic resource]. URL: http://www. arstel. com/ru/articles/art1p1. php.
8. Dyatlov, A.P. Satellite communication systems with mobile objects: textbook / A.P. Dyatlov. -Taganrog. TRTU, 2004. - 95 p.
9. Computer cartography and satellite area / ed. Lazar Mashbits [et al.]. - M.: Goryachaya liniya. -Telecom, 2009. - 260 p.
10. Development and production of devices and equipment for the examination and diagnosis of roads, railways and airfields on the geometrical parameters // SIBDORPROEKT. APK Profile. [Electronic resource]. URL: http://sibdorproekt. ru/razrabotka-i-izgotovlenie-priborov-i-oborudovaniya-dlya-obsledovaniya-i-diagnostiki-avtomobilnykh-zheleznykh-dorog-i-aerodromov-po-geometricheskim-parametram/apk-profil.
11. Vlasov Maxim. RFID: Technology 1 technology - 1000 solutions: Practical examples of the use of RFID in various fields / M. Vlasov. - M.: Alpina Publisher, 2014. - 218 p.
12. Sandip Lahiri. RFID. Implementation Guide = The RFID Sourcebook / S. Dudnikov. - M.: Kudits Press, 2007. - 312 p.
13. Manish Bhuptani, Shahram Moradpur. RFID-technologies in the service of your business = RFID Field Guide: Deploying Radio Frequency Identification Systems / Trinity H.. - M.: «Alpina Publisher», 2007. - 290 p.
14. T. Sharfeld (Annexes IV Deville, Jean Damour, Charkani N., S. Korneyev and Izabel Goulart). RFID systems are low cost / S. Korneyev. - M., 2006.
15. Selling RFID-M // RFID-M. Supplier of competitive advantages [electronic resource]. URL: http://rfid-m. ru.
УДК 621.436
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА СВОЙСТВ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ БИОДОБАВКИ К НЕФТЯНОМУ ДИЗЕЛЬНОМУ ТОПЛИВУ
Ю. В. Уханова, аспирант; А. А. Воскресенский, аспирант;
А. П. Уханов, доктор техн. наук, профессор
ФГБОУ ВО Пензенский ГАУ, Россия, т. 8(8412) 62-85-17, e-mail: [email protected]
Целью исследований является изучение и сравнение показателей физико-химических и теплотворных свойств различных видов растительных масел для возможного применения их в качестве биологической добавки к товарному нефтяному (минеральному) дизельному топливу (ДТ). В качестве биодобавки к товарному минеральному ДТ были исследованы растительные масла следующих масличных культур: рапс, рыжик, сурепица, редька масличная, лен масличный, горчица белая, сафлор, соя и крамбе абиссинская. Оценены основные параметры технологических свойств перечисленных масличных культур, показатели физико-химических и теплотворных свойств растительных масел из них. Так, например, средняя величина масличности большинства культур находится в пределах 35-42 %, за исключением горчицы и сои (32-35 %). По сравнению с нефтяным ДТ (плотность 830-860 кг/м3, вязкость 3-6 мм2/с) все исследуемые масла обладают повышенной плотностью и кинематической вязкостью, величина которых находится соответственно в пределах 900-930 кг/м3 и 51,6-115,5 мм2/с. На основе выполненного хроматографического анализа рассчитана низшая теплота сгорания указанных растительных масел, находящаяся в пределах 37-38 МДж/кг, тогда как у товарного нефтяного ДТ этот показатель равен 42,4 МДж/кг.
Однако при добавлении в любое растительное масло до 50 % и более нефтяного ДТ свойства полученного смесевого топлива существенно улучшаются и становятся сопоставимыми со свойствами товарного ДТ.
Важным моментом для возделывания масличных культур технического назначения и производства из них биологического моторного топлива в требуемых объемах является наличие больших земельных площадей. К примеру, только в Пензенской области посевные площади масличных культур за период с 2007 г. по 2016 г. увеличились с 59284 га (2007 г.) до 318900 (2016 г.), т. е. в 5,4 раза.
Ключевые слова: растительные масла, свойства, дизельное топливо, добавка, смесе-вое биотопливо.
Введение. Одним из видов альтерна- кое биологическое топливо первого, второ-тивного моторного топлива является жид- го и третьего поколений, имеющее по от-
